JP4083923B2 - 面状光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置のバックライト光源、または非常誘導灯や広告表示板の光源として用いられる、導光板の側面に光源を有する、いわゆるサイドエッジ方式の面状光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に従来の面状光源装置の断面図を示す。図８を参照して、同装置は、円柱状光源１０１と、光を側面１１０から入射させて内方に伝播させつつ出射面１１１から前方（紙面内の上方）へ出射させる導光板１０２と、光源から発した光を無駄なく側面１１０に入射させるための反射面からなるリフレクタ１０３と、を備える。導光板１０２の前方には、光の配光特性を調整するためのプリズムシート１０５と、該プリズムシートから出射される光の配光角をなだらかにする拡散シート１０６とが備えられる。
【０００３】
光源１０１としては蛍光灯が広く用いられ、導光板１０２にはアクリル等の樹脂材が用いられ、その形状は平板状や楔状のものが多い。また、導光板１０２には、光を出射面１１１から均一に出射させる手段として、出射面に相対する面１１２（以後、「背面」と記す。）に白色ドット印刷１０７を行ない、ドットの径を変化させる方法が広く用いられている。リフレクタ１０３には、銀箔を表面層とする金属板、または銀箔を貼られたＰＥＴシートや白色シート等が用いられる。導光板の背面１１２から出た光を導光板に送り返す反射シート１０４には、一般に白色シート、銀箔やアルミ箔を貼られたシートが用いられる。配光特性を調整するプリズムシート１０５には、頂角が５０°〜９０°程度のものがよく用いられている。拡散シート１０６には、一般にＰＥＴシートにビーズを塗布したものやＰＣシートにエンボス加工を施したものが使用される。
【０００４】
この従来の装置における各部材の作用を次に示す。
光源１０１から発せられた光は、直接またはリフレクタ１０３での反射を経て、導光板１０２に側面１１０から入射する。図９に示すように、入射した光Ｌは導光板１０２内を全反射を繰返しながら、内方に伝播する。その際、光を出射面にわたって均一に出射する手段、例えば印刷された白色ドット１０７により伝播光の一部の光は反射され、出射面１１１の法線となす角が臨界角より小さくされて、出射面から出射する。また、伝播光の一部の光は背面１１２から出射されるが、この光は反射シート１０４により反射され、再び導光板１０２内に戻り、その後、出射面１１１から出射される。導光板１０２の内方への伝播中に出射面１１１から出射される光は、棒状光源１０１に垂直な面内方向において、出射面１１１の法線とのなす角がぎりぎり臨界角内に入った結果、出射される光が多い。このため、出射光の配光分布は偏った配光分布となる。プリズムシート１０５は斜め方向から入射された光を入射面と隣り合った面で反射させることにより、図９に示すように、光の向きを変え出射する。このプリズムシート１０５のプリズムの頂角は、導光板から出射される光の方向に合わせ、最大輝度が前方の正面方向（出射面に垂直な方向）となるように調整されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成では、光源１０１に垂直な面内方向において、出射面から出射される光の視野角が狭く、かつ正面方向を中心に非対称な配光分布となっている。そのため、目線を少し変化させることにより、極端な輝度の差を感じ、表示品質を損ねることとなっていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、適正な配光分布を持ち、かつ高輝度で表示品質の高い面状光源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の面状光源装置は、少なくとも１つの棒状光源と、棒状光源の長手方向に沿って延びる、棒状光源からの光が入射する側面、および側面と直交する出射面を有し、側面から入射した光を内方の方向に伝播させて出射面から前方に出射させる導光板と、棒状光源のまわりを導光板とともに取り囲み、内面において光を反射するリフレクタと、導光板の出射面に対向する背面に近接して、該背面に沿って配置された反射シートと、凹部および凸部の延びる方向が側面とほぼ平行な凹凸プリズム列を導光板と対向する面側に有する、出射面に沿って配置されたプリズムシートと、導光板の出射面とプリズムシートとの間に配置された拡散シートと、を備える。導光板では、出射面および出射面と対向する面の少なくとも一方の面に粗面化処理が施され、拡散シートでは、ヘーズ値が５０％以下とされている。
【０００８】
上記のように、プリズムシートと導光板との間に拡散シートを配置したことにより、プリズムシートに入射する光は極端な指向性が緩和された光となる。また、その拡散シートのヘーズ値を５０％以下とすることにより、輝度低下の少ない表示を得ることが可能となる。プリズムシートは、主として反射によりプリズムシートに入射する光の角度を変えて出射するので、上記の拡散シートの作用と合わせて、高い輝度を確保したうえで極端な指向性および偏りを緩和することができる。したがって、偏った配光分布を、棒状光源の長手方向に垂直な面内方向において前方正面に輝度中心を有する適正な配光分布に変えることができる。この結果、高輝度で、かつ正面に関して対称で輝度中心を正面方向に有する配光分布を実現することが可能となる。また、導光板では、出射面および出射面と対向する面の少なくとも一方の面に粗面化処理が施されていることで、出射面にわたってほぼ均一の強度の光を出射することができる。
【０００９】
上記の面状光源装置においては、凹部および凸部の延びる方向を側面にほぼ直交する方向とする凹凸プリズム列が、導光板の表面である出射面、背面、またはその両方の面に形成されていることが望ましい。
【００１０】
上記の凹凸プリズム列の形成により、棒状光源に平行で出射面に垂直な面内方向における配光分布を、正面に関し対称で、かつ正面に輝度中心を有する配光分布にすることができる。その結果、本面状光源装置は、棒状光源に垂直な面内方向に関して適正な配光分布とされたことと合わせて、２次元的に、正面に関して対称でかつ正面に輝度中心を有する配光分布を有することが可能となる。上記の凹凸プリズム列は、具体的には導光板の上記のいずれかの面に形成されることにより、棒状光源に平行で出射面に垂直な面内方向における適正な配光分布が実現される。
【００１１】
上記の面状光源装置においては、凹部および凸部の延びる方向が側面にほぼ直交する方向である凹凸プリズム列を一方の面側に有する第２プリズムシートが、出射面の前方側に、さらに配置されることが望ましい。
【００１２】
上記の構成により、導光板の表面に上記第２プリズムシートと同じ向きの凹凸プリズム列を形成しなくても、棒状光源に平行で出射面に垂直な面内方向における配光分布を、正面に関し対称で、かつ正面に輝度中心を有する配光分布にすることができる。その結果、本面状光源装置は、棒状光源に垂直な面内方向に関して適正な配光分布とされたことと合わせて、２次元的に、正面に関して対称でかつ正面に輝度中心を有する配光分布を有することが可能となる。この第２プリズムシートの作用は、導光板の表面に上記第２プリズムシートと同じ向きの凹凸プリズム列を形成しなくても発揮されるが、そのような凹凸プリズム列が導光板表面に形成されていても、その作用をさらに強化する方向で機能する。したがって、第２プリズムシートは、導光板表面における凹凸プリズム列形成の有無にかかわらず、配置して上記作用を得ることができる。
【００１３】
上記の面状光源装置は、粗面化処理が施された導光板の面における粗度を、光源からの距離が増大するに従い大きくすることが望ましい。
【００１４】
光源からの距離にしたがって導光板内の光の強度は低下するので、該距離に応じて粗度を大きくして、出射面に向かう光を多くすることにより、出射面における光の強度を均一化することが可能となる。
【００１５】
上記の面状光源装置においては、ある場合には、粗度の調整が、導光板の表面である凹凸プリズム列を形成する凹凸面に施されていることが望ましい。
【００１６】
加工上の理由、その他の理由により、プリズム列の凹凸面に粗度の調整をするのが好ましい場合には、上記の構成により出射面における光の強度分布を均一にすることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における面状光源装置を示す断面図である。図１を参照して、同装置は、光源１と、光を側面１０から入射させて内方に伝播させつつ出射面１１から前方（紙面内で上方）へ出射させる導光板２と、光源から発した光を無駄なく側面１０に入射させるための反射面からなるリフレクタ３と、を備える。導光板２の前方には、次に詳述する配光分布をより一層適正にするための拡散シート９と、棒状光源に直交する面内方向での光の配光特性を調整するためのプリズムシート５と、配光角をなだらかにするための拡散シート６とが備えられる。また、導光板２の背面１２は、光源からの距離が遠くなるほど粗度を高めた粗面化処理面１５とされている。導光板の背後には、導光板の背面１２から出た光を反射して導光板に送り返す反射シート４が備えられる。
【００１９】
光源１としては円柱状の蛍光灯が広く用いられ、導光板２にはアクリル等の樹脂材が用いられ、その形状は平板状や楔状のものが多い。リフレクタ３には、銀箔を表面層とする金属板、または銀箔を貼られたＰＥＴシートや白色シート等が用いられる。導光板の背面１２から出た光を導光板に送り返す反射シート４には、一般に白色シート、または銀箔やアルミ箔を貼られたシートが用いられる。プリズムシート５には、頂角が５０°〜９０°程度のものがよく用いられている。拡散シート６には、一般にＰＥＴシートにビーズを塗布したものやＰＣシートにエンボス加工を施したものが使用される。
【００２０】
導光板の背面１２は、光源１から遠ざかるにつれ粗度の大きくなる粗面化処理面１５とされるので、導光板内の光の強度が小さくなるにつれ反射の程度が増大する。このため、出射面１１にわたってほぼ均一の強度の光が出射される。
【００２１】
拡散シート９は、導光板２の出射面１１とプリズムシート５との間に配置されている。導光板２から出射された光は、拡散シート９により拡散された後、プリズムシート５に入射する。表示品質に大きく影響する配光特性は、次に示すように、拡散シート９のヘーズ値を変化させることにより、制御することが可能となる。
【００２２】
図２は、拡散シート９のヘーズ値によって変化する配光分布を示した図である。配光分布の角度の取り方を図３に示す。棒状光源に直交する面内で、出射面法線方向を０°として、光源側に傾いた方向をプラス側角度とし、光源から遠ざかる側に傾いた方向をマイナス側角度とする。図２（ａ）から（ｄ）までの図は、図１の構成の面状光源装置において、ヘーズ値がそれぞれ約３０％、５０％、７０％および８５％の拡散シート９を用いたときの配光分布を示す図である。また図２（ｅ）は、参考としてヘーズ値８５％の拡散シート９を用い、プリズムシート５を除いた場合の配光分布であり、また、図２（ｆ）は、参考として拡散シート９を用いない場合、すなわち図８に示した従来例の場合の配光分布を示す図である。
【００２３】
図２（ｆ）より、拡散シートを用いない場合には、上記した角度０°を中心に非対称な配光分布になっている。これは、図４に示すように、画面中心の前方から画面の両端であるＡおよびＢを見た場合、Ａ点とＢ点とで明るさが異なることを意味し、表示品質を損ねる。なお、出射面１１とプリズムシート５との間の拡散シート９ではなく、最も前方側に配置した拡散シート６をヘーズ値の大きなシートに変えた場合、配光分布が０°を中心にややなだらかになるものの、配光分布の非対称性は改善されず、輝度も大きく低下した（図示せず）。
【００２４】
図２（ｅ）は、プリズムシート５を用いずにヘーズ値が８５％の拡散シートを用いた構成での配光分布を示す。図２(ｅ)より、輝度は大きく低下して、配光分布も非対称となる。
【００２５】
一方、これらに対して、拡散シート９を配置すれば、図２（ａ）から（ｄ）に示すように、配光分布の非対称性は改善される。ただし、ヘーズ値が高くなるにつれ、配光の幅は広がるかわりに輝度の低下が顕著になる。ヘーズ値８５％の拡散シートを用いた場合には、図２（ｄ）と（ｅ）との比較からわかるように、プリズムシート５の有無による輝度変化はわずかであり、高価なプリズムシート５を配置する意味がない。よって、拡散シート９としてはヘーズ値７０％程度以下のものを、望ましくはヘーズ値５０％程度以下のものを用いるのがよい。さらに望ましくは、ヘーズ値が約３０％以下のものを用いるのがよい。
【００２６】
ヘーズ値の小さい拡散シート９を用いると、出射光を均一にするために導光板背面に白色ドットパターンを設けた場合、その白色ドットパターンが見えやすくなる。しかし、本実施の形態においては、背面を粗面化処理して粗度により出射面における光の強度の均一性を制御しているため、良好な画面表示を実現することができる。また、無駄になる光を排して光の利用効率を高くした結果、高輝度の画面表示を得ることが可能となる。
【００２７】
本実施の形態では、導光板２の背面を粗面化処理面としたが、出射面を粗面化処理面としてもよい。また出射面と背面の両方を粗面化処理面としてもよい。
【００２８】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２における面状光源装置を示す斜視図である。図１と同一の部材は対応する符号を付し、重複した説明は省略する。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、出射面内において均一に光を出射するために、導光板２の出射面を粗面化処理面としている。背面にはその凹凸が光源１に直交する方向に延びる、断面が三角波状の凹凸プリズム列１６を、光源１に平行する方向に沿って繰返し形成している。導光板２に入射した光は、導光板内方への伝播過程において、このプリズム列１６の反射、屈折効果により、棒状光源１に沿った方向への広がりが制御される。すなわち、棒状光源に平行で出射面に直交する面内方向における配光分布が調整される。よって、本装置から得られる光は、導光板２に形成されたプリズム列１６により棒状光源に平行で出射面に垂直な面内方向における配光特性が、またプリズムシート５により棒状光源１に直交する面内方向における配光特性が、整えられる。この結果、２次元的に適切な配光分布を持ち、かつ光源から発した光を無駄なく利用するので高輝度の面状光源装置が得られる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、導光板２の出射面１１を粗面化処理面とし、背面１２にプリズム列１６を形成しているが、出射面にその凹凸の延びる方向が棒状光源に直交するプリズム列を形成し、背面を粗面化処理面としてもよい。また、凹凸プリズム列の凹凸面に粗面化処理を施し、平坦面は無処理としてもよい。
【００３０】
また、本実施の形態では、導光板に形成するプリズム列の断面形状を三角波状としているが、プリズム列の断面形状は台形波状や正弦波状でもよく、三角波状に限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態３）
図６に、実施の形態３における面状光源装置の斜視図である。図１と同一の部材には対応する符号を付し、重複した説明は省略する。本実施の形態では、導光板２の背面に、その凹凸が光源１に直交する方向に延びる、断面が三角波状の凹凸プリズム列１６を光源１に平行する方向に繰返し形成している。さらに、出射面からほぼ均一に光を出射するため、そのプリズム列１６のプリズム面を、光源から遠ざかるにつれ粗度の大きくなる粗面化処理面として、出射面における出射光の強度が均一になるように調整している。
【００３２】
側面１０から導光板２に入射した光は、導光板の内方への伝播過程において、プリズム列１６の効果により棒状光源に沿った方向の広がりが制御される。すなわち、棒状光源に平行で出射面に直交する面内方向における配光分布が調整される。よって、本面状光源装置は、導光板２の背面に形成されたプリズム列１６により棒状光源に平行で出射面に垂直な面内方向の配光分布を整え、かつプリズムシート５の効果により光源１に垂直な面内方向の配光分布を整える。この結果、液晶表示装置等に用いられる面状光源装置として適切な２次元的に調整された配光分布を持ち、かつ、光源から発した光を無駄にしないので高輝度な面状光源装置を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、本実施の形態では導光板２の背面に、プリズム面の粗度が光源からの距離が遠くなるほど粗くしたプリズム列を形成した。しかし、出射面に、上記のように粗度を変化させたプリズム面を形成してもよい。また、プリズム凹凸面に粗面化処理をしないで、平坦面のほうに粗面化処理を施してもよい。また、本実施の形態では、プリズム列の断面形状を三角波状としたが、三角波状に限定されるものではなく、台形波状や正弦波状としてもよい。
【００３４】
（実施の形態４）
図７に、実施の形態４における面状光源装置の斜視図を示す。図１と同一の部材は対応する符号を付し、重複した説明は省略する。本実施の形態では、出射面において均一に光を出射するために、導光板２の背面１２を粗面化処理面１５としている。第１プリズムシート５と拡散シート６との間には、拡散シート６の側に凹凸面を、第１プリズムシート５の側に平坦面を有する、光源１に直交する方向に延びたプリズム列を持つ第２プリズムシート２５が配置されている。この第２プリズムシートの凹凸面は、図７に示すようにプリズムシート側でなく前方に配置されてもよいし、逆に凹凸面がプリズムシート側に配置されてもよい。側面１０から導光板に入射された光が、第１プリズムシート５から出射されるまでの過程は、実施の形態１と同じであるため説明を省略する。第１プリズムシート５から出射された光は、第２プリズムシート２５に入射する。第２プリズムシート２５では、主にプリズムの屈折作用によって、光源１に平行で出射面に直交する面内方向の配光分布が整えられる。よって、本実施の形態における面状光源装置から得られる光は、第１プリズムシート５により光源に直交する面内方向の配光分布が整えられ、かつ第２プリズムシート２５により、光源１に平行で出射面に直交する面内方向の配光分布が整えられた光となる。この結果、液晶表示装置等に用いられる面状光源装置として適切な配光分布を持ち、かつ光の利用効率が高いので高輝度の面状光源装置を得ることが可能となる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、導光板２の背面を粗面化処理面としているが、出射面のみを、または背面と出射面の両面を粗面化処理面としてもよい。また、本実施の形態では、第２プリズムシート２５のプリズム断面形状を三角波状としているが、断面形状は台形波状や正弦波状としてもよく、三角波状に限定されるものではない。
【００３６】
（他の実施の形態）
実施の形態１、２、３、４において、プリズムシート５は出射面側を平坦面として、拡散シート６の側を凹凸面としてもよい。また、上記したように、プリズムシート５のプリズム断面形状は台形波状や正弦波状としてもよく三角波状に限定されるものではない。本発明の面状光源装置においては、拡散シート６は除いてもよい。また、導光板の材質は、アクリルに限定されず、他の透明樹脂または透明樹脂中に光を散乱させる微粒子を混ぜた樹脂で作製されていてもよい。本発明の実施の形態においては、導光板の出射面内においてほぼ均一に光を出射する方法として、すべて、光源からの距離が遠くなるほど粗度を高めた粗面化処理を施した。しかし、出射面における均一強度の光を出射させる方法は、上記の粗面化処理に限定されず、背面等における白色パターン印刷、その白色印刷の濃淡でもよい。また、半球状や錘形状の凹凸を背面等に形成して、光強度の均一化を図ってもよい。さらには、その列の延びる方向が光源に平行なプリズム列を背面に形成して、凹凸の高さを光源から遠ざかる位置ほど高くして背面側から出射面側に反射する光の強度を調整して、均一化を図ってもよい。
【００３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、適切な配光分布を持ち、高輝度な面状光源装置を提供することができる。さらに、導光板の出射面、背面またはその両面を粗面化処理面としその粗度を光源から遠ざかるほど大きくすることにより面内輝度を均一とし、表示品質の高い面状光源装置を提供することができる。また、導光板にプリズム列を形成したり、または第２プリズムシートを設けることにより、全方向にわたって配光特性を調整した高輝度な面状光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１における面状光源装置の断面図である。
【図２】 面状光源装置から出射された光の配光分布を示す図である。(ａ)はヘーズ値３０％の拡散シート９の場合、（ｂ）はヘーズ値５０％の拡散シート９の場合、(ｃ)はヘーズ値７０％の拡散シート９の場合、(ｄ) はヘーズ値８５％の拡散シート９の場合、(ｅ)はプリズムシート５を用いず、ヘーズ値８５％の拡散シート９を用いた場合、(ｆ)は拡散シート９を用いない場合、の配光分布をそれぞれ示す図である。
【図３】 面状光源装置の配光分布の角度の取り方を示す図である。
【図４】 配光分布における対称性の重要性を説明するための図である。
【図５】 実施の形態２における面状光源装置の斜視図である。
【図６】 実施の形態３における面状光源装置の斜視図である。
【図７】 実施の形態４における面状光源装置の斜視図である。
【図８】 従来の面状光源装置の断面図である。
【図９】 従来の面状光源装置の動作の説明のための図である。
【符号の説明】
１ 光源、２ 導光板、３ リフレクタ、４ 反射シート、５ プリズムシートまたは第１プリズムシート、２５ 第２プリズムシート、６ 最も前方に配置した拡散シート、９ ヘーズ値を調整した拡散シート、１０ 導光板側面、１１出射面、１２ 背面、１５ 粗度の調整をした粗面化処理面、１６ 光源に直交する方向に延びる導光板に形成されたプリズム列。

Claims (5)

1. 少なくとも１つの棒状光源と、
   前記棒状光源の長手方向に沿って延びる、前記棒状光源からの光が入射する側面、および前記側面と直交する出射面を有し、前記側面から入射した光を内方の方向に伝播させて前記出射面から前方に出射させる導光板と、
   前記棒状光源のまわりを前記導光板とともに取り囲み、内面において光を反射するリフレクタと、
   前記導光板の前記出射面に対向する背面に近接して、該背面に沿って配置された反射シートと、
   凹部および凸部の延びる方向が前記側面とほぼ平行な凹凸プリズム列を前記導光板と対向する面側に有する、前記出射面に沿って配置されたプリズムシートと、
   前記導光板の前記出射面と前記プリズムシートとの間に配置された拡散シートと、を備え、
   前記導光板では、前記出射面および前記出射面と対向する面の少なくとも一方の面に粗面化処理が施され、
   前記拡散シートでは、ヘーズ値が５０％以下とされた、面状光源装置。
2. 凹部および凸部の延びる方向を前記側面にほぼ直交する方向とする凹凸プリズム列が、導光板の表面である前記出射面、前記背面、またはその両方の面に形成されている、請求項１に記載の面状光源装置。
3. 凹部および凸部の延びる方向が前記側面にほぼ直交する方向である凹凸プリズム列を一方の面側に有する第２プリズムシートが、前記出射面の前方側に、さらに配置された、請求項１または２に記載の面状光源装置。
4. 前記粗面化処理が施された前記導光板の前記面における粗度を、前記光源からの距離が増大するに従い大きくした、請求項１〜３のいずれかに記載の面状光源装置。
5. 前記粗度の調整が、前記導光板の表面である凹凸プリズム列を形成する凹凸面に施されている、請求項４に記載の面状光源装置。

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